腫瘤相關成纖維細胞的代謝重編程與腫瘤進展的關系

谷俊杰，孫昭，白春梅

中國醫學科學院北京協和醫學院北京協和醫院腫瘤內科，北京 100730

腫瘤的生長并不完全取決于腫瘤細胞本身，目前認為，腫瘤是一種難以愈合的慢性損傷，炎癥是腫瘤微環境最重要的特征。炎性因子募集循環和鄰近組織中的非腫瘤細胞歸巢于腫瘤，可形成有利于腫瘤發生、發展的腫瘤微環境。腫瘤間質細胞約占腫瘤組織中細胞總數的50%[1]，主要包括腫瘤相關成纖維細胞（carcinoma-associated fibroblast，CAF）、免疫炎性細胞、內皮細胞和血管周細胞，而CAF是腫瘤微環境中最主要的組成部分[2-4]。CAF在腫瘤的代謝、生長、轉移、免疫逃逸和化療耐藥等方面具有重要作用[5-7]。

1920年，Warburg[8]首次提出“溫伯格假設”，他認為，腫瘤細胞代謝與正常細胞代謝不同，其更偏向糖酵解，即使氧氣供給充足，腫瘤細胞仍通過旺盛的糖酵解提供能量，這種異常的代謝方式被稱為“有氧糖酵解”或“溫伯格效應”，腫瘤糖酵解被認為在腫瘤細胞的生長和轉移中發揮重要作用。糖攝取及消耗的增多，為腫瘤細胞的合成代謝提供原料，提高了腫瘤細胞的抗氧化能力；同時，線粒體氧化磷酸化的減少，也可避免腫瘤細胞生成過多的活性氧，為腫瘤細胞產生失巢凋亡抵抗及轉移做好準備。腫瘤微環境在腫瘤的發生、發展中具有重要作用，目前普遍認為，CAF存在代謝重編程（“反溫伯格效應”），并與腫瘤有氧糖酵解密切相關。因此，本文就CAF在腫瘤組織中的代謝重編程機制及其在腫瘤發生發展中的作用進行綜述。

1 CAF

研究普遍認為，CAF在腫瘤的發生和發展中有重要作用，但由于缺乏特異性的分子標志物，且由于來源的多樣性，目前仍不能對CAF進行準確定義。CAF類似針狀，是一類持續活化的、高度收縮的肌成纖維細胞，主要表達α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）、波形蛋白（Vimentin）和成纖維細胞活化蛋白（fibroblast activation protein，FAP）[9-10]。腫瘤被稱為“難以愈合的損傷”，它可以“教育”周圍的間質細胞，從而將其“調教”為促進腫瘤生長的CAF，但正常的成纖維細胞轉變為CAF的機制目前尚不明確。CAF主要來源于上皮/內皮細胞間質轉化、骨髓干細胞、血管周細胞或脂肪源間充質干細胞，其在形態學和表觀遺傳學上與表皮成纖維細胞均不同。肝癌細胞可以分泌溶血磷脂酸，從而促進腫瘤周邊的成纖維細胞轉化為CAF[11]；前列腺癌細胞可以分泌轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），從而促進骨髓來源間充質干細胞轉化為CAF[12]；腫瘤細胞還可以分泌血小板源生長因子-α/β[13-14]、基本成纖維細胞生長因子[15]、白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）[16]來活化CAF。CAF與腫瘤的代謝、生長、轉移、免疫逃逸、化療耐藥及不良預后相關。

2 “反溫伯格效應”——CAF的代謝重編程

“溫伯格效應”被列為腫瘤的十大特點之一[17]。Warburg認為，所有腫瘤細胞的有氧呼吸功能均是受損的，線粒體有氧代謝不可逆性損傷（無功能線粒體）是有氧酵解的主要原因[8]。然而，近年來，越來越多的學者認為，腫瘤細胞線粒體有氧代謝不可逆性損傷的假說可能存在問題，事實上，腫瘤細胞在快速增殖的同時，需要高線粒體代謝活性和有氧酵解。敲除腫瘤細胞中的線粒體后，腫瘤細胞增殖將停止甚至逆轉其腫瘤源性[18]。進一步研究發現，腫瘤細胞分泌的細胞因子等可誘導CAF的代謝重編程，使CAF也傾向于有氧糖酵解[19]，如肝癌細胞分泌的溶血磷脂。CAF通過有氧酵解產生的乳酸及丙酮酸，被腫瘤細胞攝取用于線粒體三羧酸循環，為腫瘤提供能量的同時促進腫瘤細胞的合成代謝。上述過程與CAF的有氧酵解，被稱為“反溫伯格效應”[20-21]。事實上，CAF過表達單羧酸轉運體-4（monocarboxylate transporter-4，MCT-4），以輸出糖酵解產生的乳酸，避免細胞內乳酸堆積；腫瘤細胞過表達MCT-1以攝取腫瘤基質中的乳酸，進行三羧酸循環產生腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）或合成代謝原料[22]。CAF 的代謝重編程可通過分泌細胞外基質蛋白、提供能量等方式促進腫瘤發展。

3 CAF代謝重編程的調控機制

目前，CAF的代謝重編程調控機制存在多種假設，但具體機制仍未明確。腫瘤細胞可以產生大量的過氧化氫，在基質細胞周邊營造假性缺氧的環境，類似于養料和氧氣剝奪，進而調控CAF的代謝重編程[20]。致癌基因c-myc可以通過上調乳酸脫氫酶A（lactic dehydrogenase A，LDH-A）和葡萄糖轉運體 1（glucose transporter 1，GLUT1）的表達而增加糖的攝入，促進糖酵解[23]。抑癌蛋白p53可以抑制腫瘤細胞的糖酵解，增強線粒體呼吸[24]。腫瘤起源相關微小RNA（microRNA，miRNA）的表達可以調控糖攝入和糖酵解，例如，miRNA-186與GLUT1的降解相關[25]。因此，CAF的轉化分化過程中下調miRNA-186可以增加Glut1的表達，進而促進糖酵解[26]。缺氧誘導因子1α（hypoxia-inducible factor 1a，HIF-1α）是調節細胞對氧含量反應的主要轉錄因子，氧含量正常時，HIF-1α被泛素化或降解，缺氧可以減少HIF-1α的降解，促使其于細胞漿內堆積。HIF-1α的穩定性受細胞質膜微囊蛋白1（caveolin-1）缺失的調控，引起CAF內氧化應激反應，并在細胞周圍營造假性低氧的環境[27-28]。HIF-1α的穩定性及其核轉位在低氧誘發的實體瘤中具有重要作用。HIF-1α與100多種基因表達的上調相關，尤其是糖酵解相關基因[29]。饑餓狀態下，特別是糖或氧氣缺乏時，HIF-1α可活化一系列信號通路。由于缺乏氧化磷酸化原材料，ATP輸出減少，腺苷一磷酸（adenosine monophosphate，AMP）/ATP比例增加，導致AMP活化的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）活化。AMPK活化可引起以下幾方面變化：①主要通過磷酸果糖激酶2（phosphofructokinase 2，PFK2）磷酸化和GLUT4的增多，增加糖攝取，激活糖酵解；②通過抑制乙酰輔酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）活性氧化脂肪酸；③AMPK可以阻斷雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，MTOR）通路，激活抗增殖信號通路；④通過UNC51樣激酶1（UNC-51-like kinase-1，ULK1）的磷酸化，增加細胞自噬或自我消化。研究顯示，任何類型的活性氧的形成和堆積、磷脂酰肌醇-3-羥激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）-絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（serine/threonine protein kinase，AKT）-MTOR信號通路的過度活躍，均為CAF的代謝重編程創造了有利條件[30]。上述有利條件包括遺傳和環境兩方面因素：①遺傳因素，乳腺癌易感基因1（breast cancer susceptibility gene l，BRCA1）、腫瘤蛋白p53（tumor protein p53，TP53）基因、磷酸酶-張力蛋白基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）等已知的抑癌基因的種系突變；②環境因素，吸煙、飲酒、慢性微生物或病毒感染、放射線、有毒化學物質、肥胖癥、自身免疫性疾病、慢性過敏原暴露和老化過程本身等[31-33]致癌環境因素，也可導致持續的活性氧的產生。這些遺傳和環境因素為CAF代謝重編程提供條件，促進腫瘤的發展。

4 代謝重編程的CAF對腫瘤的作用

4.1 促進腫瘤的生長、發展

CAF可以促進腫瘤細胞的生長和轉移。腫瘤細胞與CAF相互作用，腫瘤細胞可以“劫持”CAF產生腫瘤細胞自身代謝所需的養料。腫瘤細胞可以產生活性氧，通過抑制脯氨酰羥化酶（prolyl hydroxylase，PHD）誘導CAF產生HIF-1α。微囊蛋白1可以負向調節一氧化氮（nitric oxide，NO）的產生，HIF-1α可通過誘導自噬過程，促進微囊蛋白1退化。隨著NO的含量升高，細胞色素c氧化酶的功能受到抑制，導致線粒體失能，進而提高CAF中活性氧的含量[34]。通過線粒體的自噬作用，CAF可以清除細胞內的無功能線粒體，并依賴強化的糖酵解促進乳酸生成。CAF還可以產生氨基酸和酮體，腫瘤細胞利用攝取的氨基酸、酮體和乳酸這些富含能量的養料進行氧化代謝，進而形成ATP[35-36]。CAF可以通過代謝產物間的交換為周圍的腫瘤細胞提供養料，從而促進腫瘤細胞的增殖。CAF代謝重編程后，無氧代謝相關酶含量明顯升高，特別是M2型丙酮酸激酶（M2 isoform of pyruvate kinase，PKM2），而PKM2是無氧代謝中的關鍵限速酶。研究顯示，CAF中的PKM2過表達可以誘導小鼠模型產生更大的乳腺癌腫塊[37]。CAF可分泌肝細胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF），促進頭頸部鱗狀細胞癌細胞分泌堿性成纖維生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF），從而形成正反饋，促進頭頸部鱗狀細胞癌發展[38]。CAF中線粒體轉錄因子A下調可以誘導小凹蛋白-1（caveolin-1，Cav-1）表達下調，減弱CAF的氧化磷酸化，增強鄰近腫瘤細胞的氧化磷酸化，促進乳腺癌細胞的增殖[39]。谷氨酰胺合成酶是谷氨酰合成的關鍵酶，腫瘤細胞可以促進CAF中谷氨酰胺合成酶的表達，有利于腫瘤細胞線粒體代謝。谷氨酰胺可以增強CAF細胞線粒子的自噬作用，降低腫瘤細胞內線粒體的自噬作用，上調腫瘤細胞谷氨酰胺轉運體的表達，增強腫瘤細胞內線粒體生物合成[40]。

4.2 促進腫瘤的免疫抑制作用

腫瘤微環境中的CAF可以分泌大量的細胞因子[IL-6、IL-4、IL-8、IL-10、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）、TGF-β]、趨化因子[CC 趨化因子配體 2（CC chemokine ligand 2，CCL2）、CCL5、CXC趨化因子配體9（C-±sC chemokine ligand 9，CXCL9）、CXCL10]和促血管生成因子[基質細胞衍生因子1（stromal cell-derived factor 1，SDF1）、前列腺素E2、NO、HGF和人白細胞抗原E]，這些因子可以間接或直接地調節腫瘤細胞的免疫過程：①IL-6可以限制樹突狀細胞的成熟，誘導T細胞失活和失能，CAF來源的IL-6也可以促進單核細胞分化和巨噬細胞增多，同時募集并活化大量的肥大細胞[41-42]；②CAF產生的IL-4、IL-6和IL-8可以誘導免疫抑制性髓細胞分化，研究顯示，CAF的分泌組學中含有多種T細胞募集中涉及的細胞因子，如CXCL9、CXCL10和SDF1[43]；③CAF可通過影響腫瘤血管形成和黏附分子的作用，間接影響腫瘤免疫；④CAF可以與腫瘤細胞共同組建細胞外基質蛋白網絡，形成阻止免疫細胞向腫瘤浸潤的物理屏障，進而抑制腫瘤免疫。

4.3 促進腫瘤耐藥

研究認為，腫瘤細胞的化療耐藥與活躍的腫瘤基質相關，CAF可能促進腫瘤細胞耐藥。CAF誘導腫瘤細胞產生化療耐藥的可能相關機制包括以下幾個方面：①CAF可以增加腫瘤間質液壓，進而間接抑制抗腫瘤藥物的攝入[44]；②CAF、腫瘤細胞與細胞外基質相互作用，腫瘤細胞可以直接黏附于CAF，進而通過與N-鈣黏附素的結合，激活腫瘤細胞內的AKT信號通路導致耐藥[45-46]，腫瘤細胞與經CAF改造的細胞外基質的黏附，誘導腫瘤細胞發生上皮-間充質轉化，誘導細胞周期停滯，進而導致耐藥[47]；③CAF通過糖酵解產生大量乳酸，酸化腫瘤微環境，導致腫瘤細胞耐藥，尤其是誘導乳腺癌細胞對紫杉醇及阿霉素耐藥，酸化的腫瘤微環境可選擇性地調節腫瘤細胞膜表面的質子泵活性，不僅可增加細胞外基質的酸度，還可導致細胞內基質堿化，與耐藥細胞系相關[48-49]；④CAF可以通過分泌可溶性因子導致腫瘤細胞耐藥，CAF產生的TGF-β、IL-6和HGF均為潛在的耐藥介質，TGF-β可增強腫瘤細胞對細胞外基質的黏附能力[21]，IL-6可以誘導活化腫瘤細胞生存信號通路[50]，HGF則是CAF介導的酪氨酸激酶抑制藥耐藥的關鍵調節因子，CAF來源的HGF可以促進腫瘤細胞對BRAFV600E抑制劑或EGFR抑制劑耐藥[51]。

5 小結

CAF是腫瘤微環境的主要組成部分，腫瘤組織中的CAF可以募集較多的抑制性免疫細胞，在腫瘤局部形成抑制性免疫微環境，促進上皮-間充質轉化，激活促進腫瘤生長的信號通路，從而促進腫瘤生長、耐藥，形成惡性循環。雖然CAF的代謝重編程及其促進腫瘤轉移和耐藥的作用機制仍未完全清楚，但阻斷CAF、腫瘤和免疫微環境間的相互作用，可能成為腫瘤治療的新靶點。